超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能

超强、超硬、耐高温结构陶瓷材料结构与性能

摘要

结构陶瓷材料具有超强、超硬、耐高温等性能，在许多应用领域有着金属等其它材料不可替代的地。本文通过查阅相关文献，阐述了结构陶瓷材料的结构，综述了结构陶瓷材料的结构及其性能特点,为今后陶瓷的发展提供了可靠的前景。

关键词：结构陶瓷，结构性能

引言：构陶瓷是陶瓷材料的重要分支，它以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷工作环境，在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。即在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要的应用,因此具有超强、超硬、耐高温的结构陶瓷材料成为了人们关注的热点。

2.结构陶瓷的定义及分类

结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学相生物等

功能的高性能陶瓷。

结构陶瓷若按使用领域进行分类可分为：（1）机械陶瓷；（2）热机陶瓷；（3）生物陶瓷；（4）核陶瓷及其它若按化学成分分类可分为：（1）氧化物陶瓷(Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、TiO2、ThO2、UO2)；（2）氮化物陶瓷(Si3N4、赛龙陶瓷、AlN、BN、TiN)；（3）碳化物陶瓷(SiC、B4C、ZrC、TiC、WC、TaC、NbC、Cr3C2)；（4）硼化物陶瓷(ZrB、TiB2、HfB2、LaB2等)；（5）其它结构陶瓷(莫来石陶瓷、MoSi 陶瓷、硫化物陶瓷以及复合陶瓷等)。本文就从化学成分分析氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、复合陶瓷等来分析。

2.1氧化物陶瓷

2.1.1 Al2O3陶瓷

AI2O3陶瓷类型的结构与性能

氧化铝陶瓷是一种以α- AI2O3为主晶的陶瓷材料。氧化铝的含量在75%左右称为“75瓷”，含量在85%左右称作“85瓷”，含量在99%左右称作“99瓷”。含量在99%以上的称作刚玉瓷或纯刚玉瓷。Al2O3主要有三种晶型结构，即α-Al2O3，β-Al2O3，γ- Al2O3。Al2O3晶型转化关系如图1所示。α-Al2O3属三方晶系，2050℃熔化前稳定，β-Al2O3：是一种氧化铝含量高的的铝酸盐矿物，γ-Al2O3：属尖晶石型结构（立方）。后两种在温度高于1600℃时全部转化为α-Al2O3，a-Al2O3

为高温稳定相，工业上使用最多。其结构不同，性质也不同，在1300℃以上的高温几乎完全转变为α- AI2O3。α- AI2O3属六方晶系其单位晶胞是一个尖的棱面体，氧离子近似于六方紧密排列，Al3+占据2/3的八面体空隙。α- AI2O3是自然界中唯一存在的AI2O3变体，如天然刚玉、红宝石、蓝宝石等矿物。α- AI2O3是所有AI2O3变体中结构最紧密，活性最低，电学性质最好的晶相，在所有温度下都是稳定的，其它变体当温度达到1000～1600℃时都不可能逆地转变为α- AI2O3。

图1 Al2O3晶型转化关系图2 α-Al2O3结构示意图

γ-Al2O3属立方晶系, 尖晶石型结构，氧离子形成立方密堆积，Al3+填充在间隙中。γ-Al2O3的密度小，且高温下不稳定，加热到1100－1200℃时，缓慢转变成α-Al2O3，到1450℃时这一过程才完成。伴随着放热32.8KJ/mol，体积收缩14.3%。由于γ-Al2O3是松散结构，机电性能差，可以用它来做多孔材料。自然界没有发现γ-Al2O3，它一般是由含水的Al2O3矿物（Al2O3·H2O或Al2O3·3H2O）经加热而成。

Al2O3陶瓷的性能及用途

1）高强度、高温稳定性：装饰瓷如图4，喷嘴如图3、火箭、导弹的导流罩；

图3 Al2O3陶瓷喷嘴

2）高硬度、高耐磨性：切削工具，模具，磨料，轴承，人造宝石如图5；

图4 Al2O3陶瓷装饰瓷图5 Al2O3人造宝石

3）熔点高、抗腐蚀，耐火材料，坩埚如图6，炉管，热电偶保护套等；

图6 Al2O3陶瓷坩埚图7 太阳能电池

4）离子导电性：太阳能电池材料和蓄电池材料如图7等。

5）生物相容性：还可用于制作人工骨骼和人造关节如图8等。

6）低的介电损耗、高电阻率、高绝缘性：火花塞，电路基板，管座。

7）透光、透波性应用：新型节能灯具金卤灯如图9。

图8 人造关节图9新型节能灯具金卤灯

图11 Al2O3陶瓷的制备工艺流程图

Al2O3陶瓷的制备工艺

预烧与晶型转变：Al2O3生产中预烧具有以下作用：①使γ- Al2O3转变为稳定的

α- Al2O3。这样制品在烧成时的线收缩可以从22%降低为14%，或者体积收缩从53%降低为37%。

②煅烧后的Al2O3可能形成极细小的α- Al2O3单晶颗粒。

③球状Al2O3的脆性提高，易于研磨。

④预烧还可以排除原料中的杂质Na2O，提高原料的纯度，从而提高产品的性能。

2.1.3 氧化铍陶瓷

BeO晶体为无色，熔化温度范围为2530-2570℃，为六方形晶体结构结构稳定，无晶形转变如图10，密度为3.03 g/cm3，莫氏硬度9，高温蒸气压和蒸发速度比较低。在真空中可在1800℃长期使用，在惰性气体中可在2000℃下使用，在氧化气氛中，1800℃时有明显挥发。

图10 氧化铍结构图

氧化铍陶瓷(BeO)因其具有高热导率、高熔点(2530±10℃)、高强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗以及良好的工艺适应性等特点,在特种冶金、真空电子技术、核技术、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。尤其是在大功率半导体器件、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中，BeO一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料。

核技术材料：BeO具有高的中子散射截面,可以将核反应堆中泄露出来的中子反射回反应堆内,因而已经被广泛用作原子反应堆中的中子减速剂(反射器)和防辐射材料如图11。此外BeO优异的热、红外光学性能及热激发射特性,使其适合用于热荧光、外电子发射和电子顺磁共振剂量计中的探头。

图11核反应堆的热交换器图12 氧化铍瓷导热系数测定